ТУРБИНА И ЛОПАТКА ТУРБИНЫ Российский патент 2009 года по МПК F01D5/32 

Изобретение относится к турбинам, в частности к усовершенствованной конструкции для части хвостовика, известной как «елочная» часть лопатки турбины, и к соответствующему пазу колеса турбины, на который посажена лопатка. Более конкретно, настоящее изобретение предлагает усовершенствованные конфигурации «елочного» паза, которые предусматривают меньшее число нужных лопаток и снижают воздействующие на лопатки и колесо напряжения в точке их крепления.

Ступени обычной газовой турбины могут иметь до 92 лопаток, проходящих в радиальном направлении от рабочего колеса. Каждая лопатка имеет хвостовую часть, конфигурация которой обеспечивает сопряжение с соответствующим пазом в колесе. Конфигурации «елочного» паза предназначены для снижения напряжений, возникающих в переходных состояниях и при обычных рабочих скоростях.

Известные конфигурации «елочного» паза раскрыты в следующих патентах США: №№4260331, 4824328, 5688108, 5741119, 5836742 и 5863183. Каждый из этих патентов известного уровня техники описывает определенные подробности геометрического ассимилирования линий, дуг и углов раскрываемой конфигурации «елочного» паза в целях уменьшения центробежных сил, изгибающих моментов, механических колебаний и обусловленных ими пиковых нагрузок, возникающих при этом в точках прикрепления.

Уменьшение числа прикрепляемых к колесу лопаток желательно по нескольким причинам, включая: меньшее число деталей (меньшая себестоимость), меньшее нужное для охлаждения количество воздуха, более высокая собственная частота, меньшие потери на контур (поверхностное трение) и меньшее рассеяние на концах лопаток. Но уменьшение числа лопаток также приводит к утяжелению каждой отдельной лопатки, поскольку она охватывает увеличенную длину окружности. Простое масштабирование размера лопаток и пазов на имеющихся конфигурациях «елочного» паза, с тем же размером колеса, для уменьшения числа лопаток не сведет к минимуму напряжения, действующие в точках прикрепления.

Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении усовершенствованной конструкции или формы «елочного» паза, которая увеличит передачу нагрузки от лопатки (лопатки, также известные под названием лопатки, состоят из аэродинамической поверхности, хвостовика и «елочного» крепления) к колесу (также называемому диском) для высокотемпературной ступени, имеющей только 60 лопаток.

Еще одна задача изобретения заключается в снижении величины тягового усилия на рабочем колесе, оказываемого «елкой» лопатки и выступом колеса, известным также под названием постоянного кольца обода.

Прочие задачи изобретения заключаются в снижении величин сосредоточенных напряжений - в снижении усталости низкого цикла (УНЦ) и усталости высокого цикла (УВЦ) как лопатки, так и колеса, и в улучшенном обеспечении подачи охлаждающего воздуха к лопаткам (площадь прохождения воздуха).

Другие задачи настоящего изобретения заключаются в уменьшении рассеяния по ступени через «елку» и в выравнивании передачи нагрузки от лопатки к выступу колеса между утолщениями.

Изобретение также направлено на повышение эффективности использования топлива. Для этой цели предложены несколько мер для пути горячего газа, в том числе уменьшение числа лопаток. Ступени 1 и 2 в турбине имеют 60 лопаток вместо обычных 92. Меньшее число лопаток дает следующие преимущества: меньшее количество деталей (меньшая себестоимость), меньшее требуемое количество охлаждающего воздуха, более высокая собственная частота, меньшие потери на контур (поверхностное трение), снижение рассеяния через концы лопаток и т.д.

Но уменьшение числа лопаток также приводит к утяжелению каждой отдельной лопатки, поскольку она охватывает увеличенную длину поверхности. Увеличенный вес и увеличенная периферическая длина учитываются в новой форме «елки», поскольку формы известного уровня техники обычно предусматривали 92 лопаток.

Новая форма «елки» имеет особые размеры и соотношения между лопатками и колесом, нужные для увеличения передачи нагрузки лопатки на выступ колеса, при этом снижая сосредоточенные напряжения и тяговое усилие рабочего колеса. Новая форма «елки» разработана на основе повторения параметров формы и тепломеханической нагрузки. Эта форма имеет определенные основные признаки, улучшившие передачу нагрузки.

Эту форму можно масштабировать сообразно более крупным или меньшим размерам, но при условии, что диаметры рабочего колеса или диска соответственно будут масштабированы в отношении больших или меньших размеров, либо две стороны лопатки и колеса будут смещены в равной мере, т.е. шире или уже. Помимо этого, хотя здесь обеспечены предпочтительные пределы допусков для габаритов лопатки и колеса, специалистам в данной области техники будет ясно, что для осуществления настоящего изобретения можно использовать и более широкие пределы допусков.

Несмотря на то, что эта форма предполагается для использования в газовой турбине модели GE 6C IGT, она, или ее выполнения в других масштабах, может использоваться и для других устройств, в которых лопатки или лопатки прикреплены к вращающемуся колесу или диску в высокотемпературной среде.

Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создана турбина, содержащая: колесо, имеющее множество пазов, каждый из которых имеет чередующуюся систему углублений и утолщений и расположен между выступами колеса; и множество лопаток, каждая из которых имеет соответствующую чередующуюся систему углублений и утолщений, в результате чего упомянутое множество лопаток может быть посажено, по одной, в упомянутое множество пазов на колесе; при этом чередующаяся система углублений и утолщений на лопатках и выступах колеса уменьшает напряжения, воздействующие на посаженные лопатки и выступы колеса; причем каждое из углублений и утолщений чередующейся системы углублений и утолщений образовано комбинацией кривых поверхностей и прямых поверхностей; при этом каждое углубление содержит два прямых участка под углом друг к другу и изогнутый участок, соединяющий два прямых участка; причем углубления, образованные на множестве лопаток, имеют углы между их прямыми участками в диапазоне от 50° до 57°, и каждая из лопаток имеет нижнее утолщение, образованное кривыми поверхностями, имеющими более одного радиуса кривизны.

Предпочтительно, каждая из лопаток и каждый из выступов колеса имеют три чередующихся утолщения и углубления.

Предпочтительно, каждый из выступов колеса имеет нижнее углубление, образованное кривыми поверхностями, имеющими более одного радиуса кривизны.

Предпочтительно, кривые поверхности имеют радиусы кривизны, равные 0,956 см (0,3762 дюйма) и 1,411 см (0,5556 дюйма).

Предпочтительно, кривые поверхности имеют радиусы кривизны, равные 0,971 см (0,3822 дюйма) и 1,426 см (0,5616 дюйма).

Предпочтительно, верхняя поверхность каждого из выступов колеса имеет дугообразный вырез для уменьшения веса колеса.

Предпочтительно, колесо содержит шестьдесят пазов, при этом имеется шестьдесят лопаток - по одной для каждого паза.

Лопатка, устанавливаемая на выступе колеса ротора турбины и образованная из чередующихся углублений и утолщений, которые дополняют чередующиеся углубления и утолщения, выполненные на выступах колеса, каждое из которых образовано комбинацией кривых поверхностей и прямых поверхностей; при этом каждое углубление содержит два прямых участка под углом друг к другу и изогнутый участок, соединяющий два прямых участка;

причем углы углублений, образованных на лопатке, находятся в диапазоне от 50° до 57°, при этом имеется нижнее утолщение, образованное кривыми поверхностями, имеющими более одного радиуса кривизны.

Предпочтительно, лопатка имеет три чередующихся утолщения и углубления.

Предпочтительно, лопатка дополнительно включает в себя, по меньшей мере, одну прямую поверхность.

Предпочтительно, кривые поверхности имеют радиусы кривизны, равные 0,956 см (0,3762 дюйма) и 1,411 см (0,5556 дюйма).

Предпочтительно, лопатка имеет верхнее утолщение, образованное кривыми поверхностями, имеющими более одного радиуса кривизны.

Предпочтительно, лопатка имеет промежуточное утолщение, образованное кривыми поверхностями, имеющими более одного радиуса кривизны.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - часть рабочего колеса турбины с прикрепленными лопатками;

фиг.2А - поперечное сечение, схематически показывающее часть прикрепленной лопатки и показывающее профиль «елки»;

фиг.2В - поперечное сечение, схематически показывающее часть рабочего колеса турбины в сборе, с изображением профиля паза;

фиг.3А - вид спереди лопатки, посаженной между соответствующими выступами;

фиг.3В - вид сзади лопатки, посаженной между соответствующими выступами;

фиг.4 - внутреннее поперечное сечение, схематически показывающее крепление лопатки;

фиг.5 - область отверстия паза под лопаткой для подачи охлаждающего воздуха;

фиг.6 - зазоры между установленной лопаткой и прилегающим выступом колеса - в рабочем (нагрузка наружу) состоянии;

фиг.7 - вид в перспективе верхнего края выступа колеса;

фиг.8 - вид в перспективе верхнего края выступа колеса с установленной лопаткой;

фиг.9 и 10 показывают габариты лопатки;

фиг.11 и 12 показывают габариты соответствующего паза, в котором установлена лопатка, показанная на Фиг.9 и 10; и

фиг.13 схематически показывает зоны для незначительных изменений габаритов - по сравнению с предпочтительным осуществлением.

Главные и основные элементы изобретения определяются двумя совокупностями группами линий, дуг и эллипсов, к которым примыкают соседние компоненты. Одна совокупность описывает профиль или форму «елки» хвостовой части лопатки, и другая - профиль или форму соответствующего выполненного протяжкой паза в рабочем колесе, в который посажена «елка».

Фиг.1 показывает часть рабочего колеса 10 в сборе, содержащую лопатки 11, посаженные в соответствующие пазы 12. Поэтому профиль паза 12 колеса (наглядно показан в виде пустого паза на Фиг.1) по существу заполняется частью лопатки 11, называемой хвостовой частью лопатки (наглядно показано заполненными пазами колеса на Фиг.1).

Фиг.2А показывает схематическое поперечное сечение профиля хвостовой части 21 лопатки в лопатки 11. Хвостовая часть 21 лопатки содержит три группы криволинейных утолщений 22, 23, 24 и три группы углублений 25, 26, 27. Одно утолщение и углубление каждой группы утолщений и углублений расположены на обеих сторонах геометрической оси С. На обеих сторонах геометрической оси С и над утолщениями 22 расположены углубления 25. Утолщения 22 расположены по обеим сторонам геометрической оси С между углублениями 25 и 26. Утолщения 23 расположены по обеим сторонам геометрической оси между углублениями 26 и 27. Утолщения 24 соединяются друг с другом на геометрической оси С и расположены ниже углублений 27.

Каждое углубление 25, 26, 27 имеет искривленную внутрь радиальную поверхность в своем центре вместе с двумя по существу прямыми поверхностями на обеих сторонах искривленной радиальной поверхности. В случае с углублением 25 центральная кривая поверхность соединяется с нижней прямой поверхностью с помощью сопрягающей дуги. Для каждого углубления 25 кривая поверхность 200 соединяется с прямой поверхностью 201 на своем верхнем конце, который также образует верхнюю часть хвостовой части 21 лопатки; и с переходной дугой 226 на своем нижнем конце. Другой конец дуги 226 соединяется с прямой поверхностью 202, которая также образует часть утолщения 22. Для каждого углубления 26 кривая поверхность 203 находится между верхней прямой поверхностью 204, которая также образует часть утолщения 22, и нижней прямой поверхностью 205, которая также образует часть утолщения 23. Для каждого углубления 27 кривая поверхность 206 находится между верхней прямой поверхностью 207, которая также образует часть утолщения 23, и нижней прямой поверхностью 208, которая также образует часть утолщения 24.

Каждое утолщение 22, 23 имеет искривленную наружу радиальную поверхность между прямыми поверхностями на обеих сторонах. Для каждого утолщения 22 кривая поверхность 209 находится между верхней прямой поверхностью 202, которая также образует часть углубления 25, и нижней прямой поверхностью 204, которая также образует часть углубления 26. Для каждого утолщения 23, кривая поверхность 210 находится между верхней прямой поверхностью 205, которая также образует часть углубления 26, и нижней прямой поверхностью 207, которая также образует часть углубления 27.

Каждое утолщение 24 содержит искривленную в наружном направлении поверхность между кривой и прямой поверхностями на обеих сторонах. Для каждого утолщения 24 искривленная в наружном направлении поверхность 211 своим верхним концом соединяется с эллиптической поверхностью 227, которая переходит в прямую поверхность 208, также образующую часть углубления 27. На своем нижнем конце поверхность 211 соединяется с другой искривленной в наружном направлении поверхностью 212, при этом кривые поверхности 212 каждого утолщения 24 соединяются на геометрической оси С.

Фиг.2 В показывает схематическое поперечное сечение профиля паза 12 рабочего колеса 10. Паз 12 представляет собой пространство между двумя соседними выступами 13 колеса и поэтому ограничен той же группой кривых. Паз 12 имеет три группы утолщений 28, 29, 30 и три группы углублений 31, 32 и 33. Углубления и утолщения паза 12 являются комплиментарными по отношению к утолщениям и углублениям хвостовой части 21 лопатки, и поэтому хвостовая часть 21 лопатки может быть посажена в паз 12.

Каждое утолщение 29, 30 имеет искривленную в наружном направлении радиальную поверхность между двумя прямыми поверхностями. Для каждого утолщения 29 кривая поверхность 216 находится между верхней прямой поверхностью 217, которая также образует часть внутреннего углубления 31, и нижней прямой поверхностью 218, которая также образует часть углубления 32. Для каждого утолщения 30 кривая поверхность 219 находится между верхней прямой поверхностью 220, которая также образует часть углубления 32, и нижней прямой поверхностью 221, которая также образует часть углубления 33.

Каждое утолщение 28 имеет искривленную в наружном направлении поверхность, соединенную с прямой поверхностью на ее верхнем конце и переходящую в прямую поверхность на ее нижнем конце с помощью эллиптической кривой. Для каждого утолщения 28 кривая поверхность 213 соединяется своим верхним концом с прямой поверхностью 214, которая образует верхнюю поверхность, примыкающую к другому пазу 12. На своем нижнем конце поверхность 213 соединяется с эллиптической поверхностью 229, которая переходит в прямую поверхность 215, которая также образует часть углубления 31.

Каждое углубление 31, 32 имеет направленную внутрь кривую радиальную поверхность между по существу прямыми поверхностями на обеих сторонах. Для каждого углубления 31 кривая поверхность 222 расположена между верхней прямой поверхностью 215, которая также образует часть утолщения 28, и нижней поверхностью 217, которая также образует часть утолщения 29. Для каждого углубления 32 кривая поверхность 223 находится между верхней прямой поверхностью 218, которая также образует часть утолщения 29, и нижней прямой поверхностью 220, которая также образует часть утолщения 30.

Каждое углубление 33 имеет искривленную внутрь поверхность 224, на каждом конце соединяющуюся с другой искривленной внутрь поверхностью. На своем верхнем конце поверхность 224 соединяется с кривой поверхностью 228, которая переходит в прямую поверхность 221, которая также образует часть утолщения 30. На своем нижнем конце поверхность 224 соединяется с кривой поверхностью 225, причем эти поверхности 225 каждого углубления соединены на геометрической оси С.

Фиг.3А и 3В показывают виды спереди и сзади хвостовой части 21 лопатки, зафиксированной между выступами 13 колеса (или установленной в пазу 12). Согласно Фиг.3А и 3В, пустой паз 12 является соседним для паза с установленной в нем хвостовой частью 21 лопатки и показывает в перспективе верхнее утолщение 28 выступа 13 колеса. Горизонтальный (осевой) воздушный канал 31 образован между поверхностями 224 и 225 паза и нижней плоской поверхностью хвостовой части лопатки, и сообщается с вертикальными (радиальными) воздушными проходами 41, показанными на Фиг.4 и 5. Воздушный канал 31 обеспечивает соответствующее количество охлаждающего воздуха для лопатки, при этом обеспечивая соответствующий рабочий радиус обода, чтобы уменьшить вес «елки» и выступа колеса. В частности, согласно Фиг.4, шейка над нижним утолщением на «елке» (между углублениями 27) имеет размер, позволяющий прохождение достаточного охлаждающего воздуха аэродинамического профиля, при этом обеспечивая соответствующую толщину для передачи нужной нагрузки на приемлемых уровнях напряжения.

Согласно Фиг.6, имеется небольшой зазор 60 между хвостовой частью 21 лопатки и выступом 13 колеса 10, когда хвостовая часть лопатки вставлена в паз 12. Этот зазор выполнен для облегчения введения лопаток в пазы и для учета заводских допусков.

Согласно Фиг.7 и 8, центральный участок 70 верхних утолщений 28 выступа 13 колеса, в тангенциальном сечении, дугообразно вырезан для уменьшения веса, что в свою очередь уменьшает тяговое усилие рабочего колеса и напряжения в выступе 13 колеса. Выступы 71 на одном конце остаются прижатыми к лопатки для уменьшения рассеяния на участке «елка»/хвостовик.

Как указано выше, хвостовая часть 21 лопатки содержит имеющую особый размер и чередующуюся троякую конфигурацию углублений и утолщений - в целях распределения сосредоточенных напряжений равномерно по более крупной площади, тем самым снижая напряжения и улучшая показатель УНЦ. Эта конфигурация обеспечивает возможность значительного сокращения с 92 лопаток и выступов колеса до 60 лопаток и выступов колеса для первых двух ступеней турбины.

Радиальная толщина нижнего утолщения 24, определяемая поверхностью 14 на Фиг.4, имеет такие особые размеры, которые обеспечивают уравновешенное распределение нагрузки между утолщениями. Это регулирование жесткости дает равномерное распределение напряжения в «елке» и выступе колеса, тем самым улучшая показатель УНЦ соответствующих деталей, и также снижая пиковые раздавливающие напряжения на несущих поверхностях.

Углубления между утолщениями на «елке» лопатки и на выступе колеса имеют размер, обеспечивающий уменьшение вероятности возникновения пиковых напряжений, тем самым улучшая показатель УНЦ.

Углубление над верхним утолщением на «елке» лопатки имеет составное углубление в целях распределения сосредоточенных напряжений на более крупном участке, тем самым снижая пиковые напряжения и улучшая показатель УНЦ. Верх выступа колеса, поскольку форма переходит от поверхности контакта в верхний прилегающий лепесток, имеет эллиптическую кривую для осуществления этого перехода. Точно также, нижняя часть «елки» лопатки, поскольку форма переходит от поверхности контакта и в нижний прилегающий лепесток, имеет эллиптическую кривую для осуществления этого перехода.

Углы D расхождения поверхностей контакта (угол к геометрической оси соединения «ласточкиным хвостом»), показанные на Фиг.10 и 12, установлены в 21,000°, в результате чего между раздавливающими напряжениями на поверхностях контакта и пиковыми напряжениями в соседних углублениях обеспечивается соответствующее равновесие. Углы Е расхождения, также показанные на Фиг.10 и 12, у группы утолщений на каждой стороне формы, установлены на значении 20,782°, в результате чего между различными предельными значениями (допустимое напряжение, раздавливающее напряжение, пиковые напряжения и др.) обеспечивается соответствующая уравновешенность.

Фиг.9 и 10 показывают приводимые в качестве примера и являющиеся предпочтительными габариты лопатки; а Фиг.11 и 12 показывают приводимые в качестве примера и являющиеся предпочтительными габариты для паза, в который вставляется лопатка, показанная на Фиг.9 и 10. Во всех случаях предпочтительные относительные габариты для лопаток и выступов колеса, показанных на Фиг.9-12, таковы, что линейные и криволинейные сегменты находятся в пределе смещений заданного профиля величиной ±0,001 дюйма. Разумеется, специалистам в данной области техники будет ясно, что незначительные изменения сверх указанных допусков не скажутся в значительной степени на осуществлении настоящего изобретения, и поэтому их надо рассматривать в пределах объема настоящего изобретения. Например, группа соединенных линий и кривых, попадающих в пределы зоны допуска, определяемой смещениями профиля величиной ±0,1 дюйма, может соответствовать задачам настоящего изобретения. Причем стороны соединения «ласточкиным хвостом» или паза лопатки, зеркально разделяемые геометрической осью, могут разделяться по-разному, и при этом входить в объем данного изобретения. Например, габаритные размеры L1, L2, L3, L4, L9 и L10 на Фиг.9 можно увеличить или уменьшить на постоянное значение для изменения общей ширины соединения «ласточкиным хвостом» лопатки.

Согласно Фиг.9, угол А, определяющий угловую ориентацию прижимных поверхностей 202, 205 и 208 утолщения, составляет 50,000° относительно горизонтали. Углы В первого утолщения 22 и второго углубления 26 составляют 56,087°. Углы F второго утолщения 23 и самого нижнего углубления 27, согласно Фиг.10, составляют 56,964°. Во всех угловых величинах в данном описании измеряемый угол определяется касательными линиями вдоль внешних границ измеряемых частей лопатки или выступа колеса или между геометрической осью лопатки или выступа колеса и линией, определяемой точками пересечения, образуемыми, по меньшей мере. двумя группами упомянутых пересекающихся касательных линий.

Фиг.9 также показывает, что оконечность верхнего углубления 25 образует угол в 90,000° с геометрической осью С, проходящей через лопатка и обозначенной как угол С'. На Фиг.10 углы D и Е отмеряются от геометрической оси С к линиям, определяемым точками, в которых пересекаются касательные линии вдоль первого и второго углублений. Углы D и Е составляют 21,000° и 20,782° соответственно.

Фиг.9 показывает габаритные соотношения L₁-L₁₃, L₂₉ и L₃₁, которые определяют относительное положение утолщений и углублений, образующих геометрическую конфигурацию лопатки.

L₁ составляет 1,6300 дюйма и L₂ составляет 0,7846 дюйма; при этом L₁ является самым наружным расстоянием или шириной лопатки от геометрической оси С, и L₂ является расстоянием от геометрической оси С до точки пересечения касательных линий, образуемых вдоль обеих сторон утолщения 22. L₂₉ равно 0,6258 дюйма и определяет расстояние от геометрической оси С до точки пересечения касательных линий, проходящих по обеим сторонам утолщения 23. L₁₀ равно 0,4654 дюйма и является расстоянием от центральной оси С до точки пересечения линии, проходящей через точки пересечения, определяемые выше в отношении утолщений 22 и 23, и касательной линии вдоль верхней прямой поверхности 208 утолщения 24.

L₅-L₈ определяют расстояния от нижней поверхности утолщения 24 до, соответственно, верхней прямой части углубления 25, точки пересечения касательных линий вдоль утолщения 22, точки пересечения касательных линий вдоль утолщения 23 и точки пересечения линии, проходящей через определяемые выше точки пересечения в отношении утолщений 22 и 23 и касательной линии вдоль верхней прямой поверхности 208 утолщения 24. Эти расстояния L₅-L₈ составляют соответственно 1,9836; 1,2588; 0,8429 и 0,4177 дюйма соответственно.

Расстояния L₁₁, L₃₁ являются расстоянием от низа утолщения 24 до точек, от которых определены радиусы кривизны криволинейных частей утолщения 24. L₁₂ и L₁₃ являются расстоянием от низа утолщения 24 до соответственно точки пересечения касательных линий вдоль углубления 27, и точки пересечения касательных линий вдоль углубления 26. L₁₁, L₃₁, L₁₂ и L₁₃ составляют соответственно 0,3792; 0,5556; 0,7855 и 1,2092 дюйма.

Размеры L₃ и L₄, соответственно являются расстоянием от геометрической оси С до точки пересечения касательных линий вдоль углубления 27 и точки пересечения касательных линий вдоль углубления 26. L₃ и L₄ составляют соответственно 0,1568 и 0,3194 дюйма.

Как указано выше, утолщение 24 частично образовано двумя радиальными кривыми, центральные точки которых смещены от обеих сторон геометрической оси С (центральная точка третьей радиальной кривой, образующей утолщение 24, расположена на геометрической оси С на расстоянии L₃₁ от низа утолщения 24).

Расстояние L₉ показывает смещения вправо и влево от геометрической оси С (смещение показано только вправо от геометрической оси С на Фиг.9) и составляет 0,0327 дюйма. Радиусы смещения обозначены на Фиг.10 как R₁ и составляют 0,3762 дюйма. Радиус кривой, центральная точка которой находится на геометрической оси, обозначен на Фиг.10 как R₁₃ и составляет 0,5556 дюйма.

L₂₇ обозначает ширину самых верхних утолщений 22, составляющую 1,3850 дюйма; и L₂₈ обозначает ширину промежуточных утолщений 23, составляющую 1,0543 дюйма.

Помимо радиусов R₁ и R₁₃, Фиг.10 также показывает радиусы R₂-R₆, которые соответственно представляют радиус самого нижнего углубления 27, радиус промежуточного утолщения 23, радиус углубления 26, радиус самого верхнего утолщения 22 и радиусы самого верхнего углубления 25. Эти радиусы R₂-R₆ составляют соответственно 0,0897; 0,1037; 0,0741; 0,0959, 0,0983 (R_6') и 0,3342 (R₆) дюйма.

Кривая 227 соединяет утолщение 24 с углублением 27 по эллиптическому радиусу; при этом большая полуось составляет 0,0356 дюйма, и малая полуось составляет 0,0036 дюйма.

Как упомянуто выше, Фиг.11 и 12 показывают размеры, относящиеся к соответствующим пазам. На Фиг.11 и 12, углы А, В, С' и D-F имеют те же размеры, что и дополнительные углы А, В, С' и D-F на Фиг.9 и 10.

Фиг.11 показывает габаритные соотношения L₁₄-L₂₆, L₃₀ и L₃₂, которые определяют относительное положение утолщений и углублений, образующих геометрическую конфигурацию паза.

L₁₄ составляет 1,4000 дюйма и L₁₅ составляет 0,7893 дюйма; L₁₄ является самым внешним расстоянием или шириной выступа колеса от геометрической оси С, a L₁₅ является расстоянием от геометрической оси С до точки пересечения касательных линий вдоль обеих сторон углубления 31. L₃₀ составляет 0,6315 дюйма и определяет расстояние от геометрической оси С до точки пересечения касательных линий вдоль обеих сторон углубления 32 утолщения. L₂₃ составляет 0,4701 дюйма и является расстоянием от геометрической оси С до точки пересечения линии, проходящей через определяемые выше точки пересечения по отношению углублениям 31 и 32, и касательной линии вдоль верхней прямой поверхности 221 углубления 33.

L₁₈-L₂₁ определяют расстояния от низа углубления 33 до соответственно верхней прямой части утолщения 28, точки пересечения касательных линий вдоль углубления 31, точки пересечения касательных линий вдоль углубления 32 и точки пересечения линии, проходящей через точки пересечения, определяемые выше в отношении углублений 31 и 32, и касательной линии вдоль верхней прямой поверхности 221 углубления 33. Эти расстояния L₁₈-L₂₁ составляют соответственно 1,9836; 1,2592; 0,8433 и 0,4181 дюйма.

Расстояния L₂₄, L₃₂ являются расстоянием от низа углубления 33 до точек, от которых определены радиусы кривизны криволинейных частей углубления 33. L₂₅ и

L₂₆ определяют расстояние от низа углубления 33 до соответственно точки пересечения касательных вдоль утолщения 30 и точки пересечения касательных вдоль утолщения 29. L₂₄, L₃₂, L₂₅ и L₂₆ составляют соответственно 0,3852; 0,5616; 0,7859 и 1,2096 дюйма.

Габариты L₁₆ и L₁₇ соответственно являются расстоянием от геометрической оси С до точки пересечения касательных вдоль утолщения 30 и точки пересечения касательных вдоль утолщения 29. L₁₆ и L₁₇ составляют соответственно 0,1615 и 0,3241 дюйма.

Углубление 33 образовано двумя радиальными кривыми, центральные точки которых смещены от обеих сторон геометрической оси С, и третьей радиальной кривой, центральная точка которой на геометрической оси С находится на расстоянии L₃₀ от низа углубления 33. Радиусы смещения показаны на Фиг.12 как R_7' - 0,3822 дюйма и как R_7'' - 0,1248 дюйма. Расстояние L₂₂ показывает смещения вправо и влево от геометрической оси С для смещенных радиальных кривых R_7' (смещение показано только вправо от геометрической оси С на Фиг.11) и составляет 0,0327 дюйма. Радиус кривой, центральная точка которой на геометрической оси, обозначен на Фиг.12 как R₇ и составляет 0,5616 дюйма.

Помимо радиусов R₇-R_7'' Фиг.12 также показывает радиусы R₈-R₁₂, которые соответственно являются радиусом утолщения 30, радиусом углубления 32, радиусом утолщения 29, радиусом верхнего углубления 31 и радиусом верхнего утолщения 28. Эти радиусы R₈-R₁₂ составляют соответственно 0,0897; 0,1037; 0,0741; 0,0959 и 0,3282 дюйма.

Кривая 215 соединяет утолщение 28 с углублением 31 по эллиптическому радиусу, большая полуось которого составляет 0,0356, и малая полуось которого составляет 0,0028 дюйма.

Фиг.13 схематически показывает, что лопатка (показана) и колесо (не показано) можно образовывать в пределах допусков, показанных выделенными и пунктирными линиями. Например, наружные размеры лопатки можно увеличить от сплошной линии до пунктирной линии. Аналогичные изменения (не показаны) можно выполнить для колеса. Разумеется, специалистам в данной области техники будет ясно, что вместо отмеченных пунктирной линией на Фиг.13 габаритов их можно уменьшить до уровней, меньших, чем сплошная линия, показываемая на Фиг.13.

На Фиг.13, 'А' представляет комбинацию линий и кривых, образующих «ласточкин хвост» лопатки или профиль паза, определенных точно. 'В' представляет зону, ограниченную смещениями 'А' на ±0,001 дюйма и включающую в себя изменения профиля согласно предпочтительному варианту осуществления. 'С' представляет зону, ограниченную смещениями отдельных зеркально-симметричных сторон 'А', равными ±0,01 дюйма, и содержащую изменения, включаемые в объем данного изобретения.

В частности, все размеры лопатки и колеса можно увеличивать или уменьшать по сравнению с размерами предпочтительного варианта осуществления. Помимо этого, две стороны лопатки (и соответствующего паза) можно разнести иным образом путем увеличения или уменьшения размеров L₁, L₂, L₃, L₄, L₉, L₁₀, в результате чего радиусы 227, 211, 212 нижнего углубления лопатки будут другими. Аналогично, увеличение или уменьшение соответствующих размеров паза даст другие радиусы 228, 224 и 225 нижнего углубления.

Несмотря на то, что изобретение изложено в связи с сочтенным в данное время наиболее практичным и предпочтительным вариантом осуществления, подразумевается, что оно не ограничивается раскрываемым вариантом осуществления, а, напротив, включает в себя различные модификации и эквивалентные структуры в рамках идеи и объема прилагаемой формулы изобретения.

Турбина содержит колесо, имеющее множество пазов, расположенных между выступами колеса, и множество лопаток. Каждая лопатка и каждый паз имеет чередующуюся систему углублений и утолщений, в результате чего лопатки могут быть посажены по одной в пазы на колесе. Каждое из углублений и утолщений образовано комбинацией кривых поверхностей и прямых поверхностей. Каждое углубление содержит два прямых участка под углом друг к другу и изогнутый участок, соединяющий два прямых участка. Углубления, образованные на лопатках, имеют углы между их прямыми участками в диапазоне от 50° до 57°. Каждая из лопаток имеет нижнее утолщение, образованное кривыми поверхностями, имеющими более одного радиуса кривизны. Другое изобретение группы относится к лопатке указанной выше турбины и имеет описанную выше конструкцию. Изобретения позволяют снизить напряжения на рабочем колесе, а также увеличить допустимую нагрузку, передаваемую от лопатки к колесу. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Турбина, содержащая:
колесо, имеющее множество пазов, каждый из которых имеет чередующуюся систему углублений и утолщений и расположен между выступами колеса; и
множество лопаток, каждая из которых имеет соответствующую чередующуюся систему углублений и утолщений, в результате чего упомянутое множество лопаток может быть посажено, по одной, в упомянутое множество пазов на колесе;
при этом чередующаяся система углублений и утолщений на лопатках и выступах колеса уменьшает напряжения, воздействующие на посаженные лопатки и выступы колеса; причем каждое из углублений и утолщений чередующейся системы углублений и утолщений образовано комбинацией кривых поверхностей и прямых поверхностей; при этом каждое углубление содержит два прямых участка под углом друг к другу и изогнутый участок, соединяющий два прямых участка;
причем углубления, образованные на множестве лопаток, имеют углы между их прямыми участками в диапазоне от 50 до 57°, и каждая из лопаток имеет нижнее утолщение, образованное кривыми поверхностями, имеющими более одного радиуса кривизны.

2. Турбина по п.1, в которой каждая из лопаток и каждый из выступов колеса имеют три чередующихся утолщения и углубления.

3. Турбина по п.1 или 2, в которой каждый из выступов колеса имеет нижнее углубление, образованное кривыми поверхностями, имеющими более одного радиуса кривизны.

4. Турбина по п.1 или 2, в которой кривые поверхности имеют радиусы кривизны, равные 0,956 см (0,3762 дюйма) и 1,411 см (0,5556 дюйма).

5. Турбина по п.1 или 2, в которой кривые поверхности имеют радиусы кривизны, равные 0,971 см (0,3822 дюйма) и 1,426 см (0,5616 дюйма).

6. Турбина по п.1 или 2, в которой верхняя поверхность каждого из выступов колеса имеет дугообразный вырез для уменьшения веса колеса.

7. Турбина по п.1 или 2, в которой колесо содержит шестьдесят пазов, при этом имеется шестьдесят лопаток - по одной для каждого паза.

8. Лопатка, устанавливаемая на выступе колеса ротора турбины и образованная из чередующихся углублений и утолщений, которые дополняют чередующиеся углубления и утолщения, выполненные на выступах колеса, каждое из которых образовано комбинацией кривых поверхностей и прямых поверхностей; при этом каждое углубление содержит два прямых участка под углом друг к другу и изогнутый участок, соединяющий два прямых участка; причем углы углублений, образованных на лопатке, находятся в диапазоне от 50 до 57°, при этом имеется нижнее утолщение, образованное кривыми поверхностями, имеющими более одного радиуса кривизны.

9. Лопатка по п.8, имеющая три чередующихся утолщения и углубления.

10. Лопатка по п.8 или 9, дополнительно включающая в себя, по меньшей мере, одну прямую поверхность.

11. Лопатка по п.8 или 9, в которой кривые поверхности имеют радиусы кривизны, равные 0,956 см (0,3762 дюйма) и 1,411 см (0,5556 дюйма).

12. Лопатка по п.8 или 9, имеющая верхнее утолщение, образованное кривыми поверхностями, имеющими более одного радиуса кривизны.

13. Лопатка по п.8 или 9, имеющая промежуточное утолщение, образованное кривыми поверхностями, имеющими более одного радиуса кривизны.